大腦暗能量

紀(jì)舟

在我們發(fā)呆恍神時(shí)。大腦中有一些區(qū)域卻依然活躍，那里可能藏著了解神經(jīng)疾病，甚至意識(shí)本質(zhì)的關(guān)鍵線索。

想象你在戶外躺椅上昏昏欲睡，雜志就攤在腿上。突然間，一只蒼蠅飛到你的手臂上，你立刻抓起雜志打死蒼蠅。在蒼蠅停下來(lái)之前和之后，你大腦的各個(gè)區(qū)域處在什么樣的狀態(tài)下？長(zhǎng)久以來(lái)，許多神經(jīng)科學(xué)家以為人們?cè)谛菹r(shí)，大腦的神經(jīng)活性和放松想睡時(shí)的狀態(tài)相似。在這個(gè)觀點(diǎn)下，休息時(shí)腦內(nèi)的活性只是一些無(wú)意義的噪聲，然后當(dāng)蒼蠅飛到你手臂上時(shí)，大腦立刻專注于打蒼蠅這個(gè)有意識(shí)的動(dòng)作。但是最新的造影分析研究，卻顯示了值得注意的現(xiàn)象：當(dāng)人們放松休息時(shí)，大腦仍忙碌地進(jìn)行許多有意義的活動(dòng)。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們安靜坐在椅子上發(fā)呆、躺在床上睡覺(jué)，或是手術(shù)麻醉時(shí)，大腦內(nèi)許多分散的腦區(qū)仍然不斷交談著。這些被稱為默認(rèn)模式的活躍信號(hào)傳遞，消耗的能量是對(duì)其他外界刺激產(chǎn)生意識(shí)反應(yīng)時(shí)的20倍。

了解大腦默認(rèn)模式的關(guān)鍵，在于發(fā)現(xiàn)了一個(gè)過(guò)去遭到忽略的腦系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)在稱為默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)。雖然DMN在組織神經(jīng)的活動(dòng)時(shí)扮演的角色仍有待厘清，但它很可能指揮了腦部組織記憶和各個(gè)與應(yīng)變未來(lái)事件相關(guān)的區(qū)域，例如當(dāng)你感覺(jué)蒼蠅輕觸手臂時(shí)，腦部的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)必須快速應(yīng)變。DMN可能對(duì)所有腦區(qū)的同步化具有重要功能，讓各腦區(qū)都像田徑選手一樣，在槍響之前都處于“預(yù)備”狀態(tài)。如果DMN確實(shí)可為腦部的意識(shí)活動(dòng)預(yù)做準(zhǔn)備，研究DMN的行為或許能讓我們了解意識(shí)經(jīng)驗(yàn)的本質(zhì)。此外，神經(jīng)科學(xué)家也懷疑一些簡(jiǎn)單的心智錯(cuò)亂，甚至各種復(fù)雜的腦疾病可能與DMN的功能受損有關(guān)。

大腦可能一直很忙碌的概念并不算新，發(fā)明腦電圖的博格就是早期的倡議者之一。腦電圖這類儀器能偵測(cè)大腦的電活性，并以波紋曲線記錄在紙上。1929年博格在他發(fā)表的重要論文中，便推測(cè)了為什么儀器記錄到不停歇的電震蕩，他說(shuō)：“我們必須假設(shè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)不是只有在清醒時(shí)才有活性，而是一直都很活躍的?！?/p>

然而博格這個(gè)有關(guān)腦部運(yùn)作的看法卻遭到忽視，即使后來(lái)非侵入性造影成為神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基本配置，也依然如此。20世紀(jì)70年代末，正子斷層掃描問(wèn)世，它可以測(cè)量葡萄糖代謝、血流和氧氣的攝取，從而推斷神經(jīng)活性；1992年出現(xiàn)的功能性磁共振造影，則可測(cè)量腦中發(fā)生的氧化作用。這些科技絕對(duì)足以分析專注活動(dòng)或休息時(shí)的腦活性，但是大部分實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，卻讓人產(chǎn)生“大腦在沒(méi)有進(jìn)行特定活動(dòng)時(shí)會(huì)維持沉寂”的印象。

神經(jīng)科學(xué)家在進(jìn)行造影實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般都是為了找出與特定知覺(jué)或行為有關(guān)的腦區(qū)，而設(shè)計(jì)這類實(shí)驗(yàn)最好的辦法，就是比較兩種相關(guān)條件下的腦部活動(dòng)。舉例來(lái)說(shuō)，如果研究人員想知道哪個(gè)腦區(qū)對(duì)大聲朗讀很重要，他們會(huì)比對(duì)朗讀和默讀相同文句時(shí)的神經(jīng)活性，找出不同之處；為了能清楚呈現(xiàn)差異，研究人員會(huì)將朗讀時(shí)的像素減去默讀時(shí)的像素，剩下來(lái)仍“發(fā)亮”的區(qū)域，應(yīng)該就是對(duì)朗讀極為重要的腦區(qū)。這種方法雖能彰顯特定行為所活化的腦區(qū)，但在過(guò)程中卻刪除了腦部的任何內(nèi)在活性，也就是那些持續(xù)的背景活動(dòng)，讓人誤以為它們平常都是靜止的。

然而過(guò)去幾年來(lái)，許多研究都暗示了腦部有著活躍的幕后活動(dòng)，使得我們和其他研究團(tuán)隊(duì)開始好奇：人們?cè)谛菹⒒蜃屗季w自由奔馳時(shí)，大腦處于什么樣的狀態(tài)？

其中一條線索是直接檢視造影結(jié)果。這些影像顯示，在實(shí)驗(yàn)或?qū)φ諚l件下許多腦區(qū)都很忙碌，也因?yàn)樵谠加跋裰袑?duì)照組和實(shí)驗(yàn)組有這么多相同的背景“噪聲”，除非經(jīng)過(guò)復(fù)雜精密的計(jì)算機(jī)影像分析，否則很難分辨出差異。

進(jìn)一步分析顯示，在進(jìn)行特定意識(shí)活動(dòng)時(shí)，大腦額外消耗的能量不超過(guò)基礎(chǔ)活動(dòng)時(shí)的5%，而整個(gè)活動(dòng)所耗費(fèi)的能量有60%-80%用于與外在事件無(wú)關(guān)的神經(jīng)線路。我們的團(tuán)隊(duì)將大腦的這些內(nèi)在活動(dòng)稱為“暗能量”。

另一項(xiàng)讓人懷疑有神經(jīng)暗能量存在的觀察是，來(lái)自感覺(jué)器官的信息僅有極小部分抵達(dá)大腦內(nèi)部的處理區(qū)。舉例來(lái)說(shuō)，從眼睛傳到大腦皮質(zhì)的視覺(jué)信息，在過(guò)程中大幅減少。

我們放眼所及的世界里充滿了幾乎無(wú)窮盡的信息，進(jìn)入我們眼底視網(wǎng)膜的信息大約是每秒100億位。而連接視網(wǎng)膜與大腦的視神經(jīng)有100萬(wàn)條線路，從視網(wǎng)膜送出信息的速度約每秒600萬(wàn)位，但最后抵達(dá)大腦皮質(zhì)的只有每秒1萬(wàn)位。

這些視覺(jué)信息經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理后，會(huì)再傳送到負(fù)責(zé)形成知覺(jué)的腦區(qū)。讓人驚訝的是，被腦部用以構(gòu)成感知的信息不到每秒100位。如此涓滴細(xì)流的信息應(yīng)該不足以產(chǎn)生知覺(jué)，大腦的內(nèi)在活動(dòng)必定扮演了某種角色。

還有一條可以了解腦部?jī)?nèi)在處理能力的線索，就是去計(jì)算突觸的數(shù)量。突觸是神經(jīng)元之間的接觸點(diǎn)，在視覺(jué)皮質(zhì)中，負(fù)責(zé)接收視覺(jué)信息的突觸不到10%，因此絕大多數(shù)的突觸必定用于腦區(qū)的內(nèi)部聯(lián)系。